1、現(xiàn)代電信科技引入 VoLTE 業(yè)務后核心網(wǎng) PCRF的容災組網(wǎng)方案研究王曉周，藺琳，王芳中國移動通信集團設(shè)計院，北京 100080摘 要： 核 心 網(wǎng) PCRF 容 災 技術(shù)的 應用 直 接 影響 VoLTE 業(yè)務的可靠性能。通過分析 PCRF 在 VoLTE 業(yè)務流程中的作用以及故障后的影響，詳細給出多 種 PCRF 容災方案，同時就運營商引入 PCRF 容災部 署的策略給出初步建議。 關(guān)鍵詞：VoLTE，PCC，PCRF，SPR，POOL，LDRAAbstract：The application of disaster recovery technol原 ogy for PCRF in c

2、ore network affects the reliability of VoLTE service directly. By analyzing the role and im原 pact of malfunction of PCRF in VoLTE business pro原 cess, several disaster recovery solutions for PCRF are being given in detail. Some preliminary recommenda原 tions are also concluded for telecom operators ab

3、out the deployment strategies of PCRF disaster recovery solutions at the end.Keywords：VoLTE，PCC，PCRF，SPR，POOL，LDRA隨著 4G 數(shù)據(jù)業(yè)務的大力開展及 VoLTE 業(yè)務商 用部署的推進，未來移動通信用戶的業(yè)務將實現(xiàn)全 IP 化。而通過策略計費控制PCC：Policy and Charg- ing Control架構(gòu)可以為全 IP 的 VoLTE 語音、視頻業(yè) 務提供端到端的 QoS 保障，同時能為數(shù)據(jù)業(yè)務用戶 提供差異化的效勞質(zhì)量及靈活的計費策略。作為 PCC 的重要組成局部，策略和計

4、費規(guī)那么功能PCRF： Policy and Charging Rule Function的容災方案部署將 為 VoLTE 語音、視頻及數(shù)據(jù)業(yè)務的開展提供有力保 障。1 概念及組網(wǎng)1.1 PCRF 相關(guān)根本概念如 圖 1 所 示 ， 現(xiàn)網(wǎng) 部署 的 PCC 架 構(gòu) 主 要 由 PCRF、策略和計費執(zhí)行功能PCEF：Policy and Charg- ing Enforcement Function以及用戶屬性存儲器SPR： Subscription Profile Repository邏輯實體等構(gòu)成，分別 完成策略生成、策略執(zhí)行和策略簽約功能，旨在通過技術(shù)廣角 網(wǎng)絡(luò)資源與計費策略控制，為用戶提

5、供差異化的服務質(zhì)量及靈活的計費策略。1PCRF 功能實體包含策略控制決策和基于 流計費控制的功能，PCRF 接受來自 PCEF、SPR 和 應用功能AF：Application Function的輸入，向 PCEF 提供關(guān)于業(yè)務數(shù)據(jù)流檢測、門控、基于 QoS 和基于 流計費 除信用控制外 的網(wǎng)絡(luò)控制功能。結(jié)合 PCRF 的自定義信息做出 PCC 決策。2PCEF 主要包含業(yè)務數(shù)據(jù)流的檢測、策略執(zhí) 行和基于流的計費功能。該功能實體位于網(wǎng)關(guān)，例如 GPRS 的 GGSN 網(wǎng)關(guān) 、EPC 的 P-GW、WLAN 的PDG，也可獨立部署。3SPR 邏輯實體包含與所有簽約用戶或簽約 相關(guān)的信息，SPR

6、提供的簽約信息包括 每一個 PDN 的簽約用戶允許的業(yè)務、每個允許業(yè)務的優(yōu) 先級(可選)、簽約用戶允許的 QoS 信息、簽約用戶業(yè) 務的計費相關(guān)信息如接入類型、位置信息和使用次 數(shù)等以及簽約用戶類型等。SPR 可能與運營商網(wǎng)絡(luò)中分布的多個數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。SPR 與 PCRF 通過 Sp 參 考點進行交互。4應用功能AF：Application Function實體是 提供給用的業(yè)務單元，主要對 IP-CAN 用戶面行為 進行動態(tài)策略 / 計費控制。這些業(yè)務需要動態(tài)策略 和計費控制。AF 通過 Rx 參考點，傳送 PCRF 需要的 動態(tài)會話信息，接收 IP 連接訪問網(wǎng)絡(luò)IP-CAN的 特定信息和 I

7、P-CAN 承載層事件確實認。5 在線計費系統(tǒng) OCS：Online Charging Sys- tem 提供基于用戶和業(yè)務數(shù)據(jù)流的信用控制功能， 主要由在線采集、計費控制、批價和余額管理等模塊 構(gòu)成，實現(xiàn)在線計費功能，并配合其它計費網(wǎng)元設(shè)備觸發(fā)基于會話、事件的在線計費事件請求設(shè)備，如SCP、CCG、ISMP 等進行實時話務控制。6離線計費系統(tǒng)OFCS：Offline Charging Sys- tem提供基于用戶和業(yè)務數(shù)據(jù)流的計費功能，主要 包括客服、業(yè)務管理、計費、結(jié)算、帳務處理和系統(tǒng)管理等，是一個針對話單和帳戶的后付費處理系統(tǒng)。圖 1 PCC 網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)圖PCC 架構(gòu)將應用層級會話效勞

8、數(shù)據(jù)流的 QoS 要求映射為 IP-CAN 接入傳輸網(wǎng)絡(luò)承載級效勞的 QoS 要求來保障數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)運營商的計費策略 實現(xiàn)效勞數(shù)據(jù)流層級的計費功能。PCC 的部署，可實 現(xiàn) 為 VoLTE 語音 及 視 頻 業(yè)務 建立 專 載、 對 2G/3G/4G 業(yè)務進行限速、門控和下發(fā)標準 QoS 參數(shù)TC、THP、GBR、MBR、ARP至無線接入網(wǎng)，以 及無線接入網(wǎng)根據(jù)下發(fā)的標準 QoS 參數(shù)進行相應 資源調(diào)配，還可以實現(xiàn)無線信道分配優(yōu)化效果的分業(yè)務、分用戶的動態(tài)資源調(diào)控。1.2 PCRF 組網(wǎng)現(xiàn)狀以某省為例，目前現(xiàn)網(wǎng)部署的 PCRF 組網(wǎng)如 圖 2 所 示 。 多 套 PCRF 通 過 省 內(nèi) 的

9、 LDRA 與 SAE-GW/GGSN/PCEF 和 VoLTE SBC/P-CSCF 進 行準直連 ，SPR 與 PCRF 合 設(shè)或 分 離 設(shè) 置 ，PCEF 與 SAE-GW/GGSN 合設(shè)，多套 PCRF 之間采用分片區(qū) 或者分用戶號段業(yè)務量等方式負荷分攤業(yè)務，通過 LDRA 中預先配置的用戶 IP 與 PCRF 主機名映射局 數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶的策略管控流程。由圖 2 可知，在目前的組網(wǎng)方式下，PCRF 網(wǎng)元沒有實現(xiàn)容災部署，在 PCRF 發(fā)生設(shè)備故障后，局部現(xiàn)代電信科技用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務的策略執(zhí)行和 VoLTE 語音及視頻業(yè)務將中斷，從而影響用戶業(yè)務體驗。合設(shè)或分離部署SPR1SPR2SP

10、R3SPRnPCRF1PCRF2PCRF3PCRFnLDRA1LDRA2BOSS的容災機制非常有必要。下面將展開對 PCRF 的容 災組網(wǎng)方案的具體研究。2 PCRF 容災方案SAE-GW/GGSN/PCEF POOLVoLTE SBC/P-CSCF POOL通過上一節(jié)的分析可知， 在 PCRF 故障時， PCEF 對于 VoLTE 的數(shù)據(jù)業(yè)務是有放通機制的，并 不會直接導致數(shù)據(jù)業(yè)務中斷，而 VoLTE 的語音及視 頻業(yè)務將面臨呼叫、被叫失敗及通話過程中完全中 斷的風險，故后續(xù)主要針對 VoLTE 語音及視頻業(yè)務 分析 PCRF 的容災機制及方案，就三種容災方案分 別進行闡述和多維度方案比照分

11、析，總結(jié)了 PCRF 容災組網(wǎng)的引入策略和關(guān)于現(xiàn)網(wǎng)部署的其他建議。圖 2 PCRF 組網(wǎng)現(xiàn)狀1.3 PCRF 容災需求分析根據(jù)上節(jié)組網(wǎng)情況可知，VoLTE 語音和視頻業(yè) 務是由 IMS 網(wǎng)絡(luò)提供的，用戶通過使用 IMS APN 承 載來實現(xiàn) VoLTE 語音效勞，在用戶建立 IMS APN 承 載過程中，即選定了為用戶效勞的 PCRF；假設(shè) PCRF 故障，那么 LTE/EPC 網(wǎng)絡(luò)無法為用戶建立用于主被叫 音視頻語音業(yè)務的專用承載，呼叫失敗。在用戶重新 建立 IMS APN用戶關(guān)開機、用戶重新接入 TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)之后，那么需要 LDRA 根據(jù)一定的容災機制為用 戶選擇新的可用 PCRF，

12、用戶的主被叫業(yè)務方能全 部恢復。而對于 VoLTE 用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務，用戶使用 CM- NET APN 承載，P-GW/GGSN/PCEF 具備在 PCRF 故障時的自動放通機制，假設(shè)負責 VoLTE 用戶數(shù)據(jù)業(yè)務 的 PCRF 故障，并不會影響用戶數(shù)據(jù)業(yè)務的正常使 用，但流量管控的 PCC 策略無法生成和下發(fā)執(zhí)行。 如上所述，負責 VoLTE 用戶 IMS APN 的 PCRF 故障，VoLTE 用戶的主被叫音視頻語音業(yè)務全阻，直 至用戶開關(guān)機或重新接入 LTE 網(wǎng)絡(luò)，故引入 PCRF2.1 PCRF 故障檢測PCRF 的 故障 檢 測 都 是 基于 LDRA 設(shè) 備 對 PCRF 設(shè)備的鏈路

13、檢測，在一定周期內(nèi)，當 LDRA 與 PCRF 的鏈路心跳檢測超時，或 LDRA 轉(zhuǎn)發(fā)給 PCRF 的 Diameter 消息超時，那么認為 PCRF 設(shè)備出現(xiàn)故障。 該檢測流程適用于 Gx、Rx 接口。后續(xù)章節(jié)的容災方 案全都基于此故障檢測機制。具體故障檢測流程如圖 3 所示。2.2 方案一：1+1 實時容災熱備方案根據(jù)圖 4 所示，本方案為采用 PCRF 1+1 實時 容災備份，即一對同廠家 PCRF 通過備份鏈路同步 用戶會話信息，正常情況下主用 PCRF 負責業(yè)務，主心跳定時器，一定周期內(nèi)無響應到達一定閾值比例或次數(shù)切換至備用鏈路LDRA主PCRF備PCRF圖 3 PCRF 故障檢測流

14、程技術(shù)廣角 用 PCRF 假設(shè)出現(xiàn)故障后，由備用 PCRF 實時接管，整 個倒換過程對用戶全透明。 容災流程1 主備 PCRF 使用備份鏈路同步會話信息；2 LDRA 檢測到主 PCRF 異常，將鏈路切換 至備 PCRF，修改 CCR 中的主機名為備份 PCRF 主 機名；3 PCEF 可以使用原主 PCRF host 進行交互， 不影響業(yè)務；4 VoLTE SBC/P-CSCF 可以 繼 續(xù) 使 用 原PCRF host 請求建立專載，不影響業(yè)務。 方案優(yōu)點1 設(shè)備倒換過程對用戶無感知，不影響用戶體驗，VoLTE 語音及視頻業(yè)務均可得到保證；2 不涉及漫入問題，能很好的應對用戶漫游 場景。

15、方案缺點1 實施本錢較高，主備 PCRF 按照 1:1 容量 冗余配置，總體設(shè)備利用率永遠在 50%以下，而且 實時備份鏈路對硬件消耗較大，需要額外的硬件支 持；2 需要對現(xiàn)網(wǎng) PCRF 周邊網(wǎng)元進行全面的專項效勞改造。 方案總結(jié)從技術(shù)角度來說，本方案是最優(yōu)的，整個故障倒換流程中用戶都是無感知的，也不會引起主被叫呼圖 4 PCRF 1+1 實時容災熱備叫失敗和通話過程中斷，但是，由于數(shù)據(jù)業(yè)務及 VoLTE 語音視頻業(yè)務將來會迅速開展，對 PCRF 的 設(shè)備數(shù)量及容量需求也不斷增加，PCRF 全部采用 1+1 實時容災熱備方式建設(shè)將導致投資本錢高昂， 在當前電信效勞剪刀差愈來愈明顯的嚴峻形勢下，

16、 此方案屬于一種理想化的方案。2.3 方案二：LDRA 路由重選+PCRF 恢復處理容災方案本方案 PCRF 采用的容災組網(wǎng)方式可以有 3 種 形式：1+1、N+1 或 Pool 組網(wǎng)。本方案的特點是當 LDRA 通過心跳檢測到主 PCRF 故障后，自動路由 重選至備 PCRF，因備 PCRF 無用戶會話信息，對已 建立 Gx 會話 ，PCEF 和 VoLTE SBC/P-CSCF 的 Gx 和 Rx 會話請求都會被拒絕。Gx 會話更新用戶重開 機，或從 2/3G 切回 4G，或 QoS 更新等 后觸發(fā) PCRF 重選，用戶重新附著后，VoLTE 語音視頻業(yè)務 可恢復。容災流程如圖 5 所示。

17、 容災流程1 用戶在進行 VoLTE 業(yè)務時，觸發(fā) VoLTE SBC/P-CSCF 為期請求專有承載資源；2LDRA 檢測到主 PCRF 異常，將鏈路切換至備 PCRF；3 由于備 PCRF 中無此用戶會話信息，導致VoLTE SBC/P-CSCF 請求專載資源失敗；4在進行 CCR-U 過程時，備 PCRF 返回 un-know session ID，PCEF 觸 發(fā)用 戶重新激活，只有當用戶重新 附著或發(fā)生 S-GW 級切換后， 用戶的 VoLTE 業(yè)務才能恢復。 方案優(yōu)點1 此 方案 實 現(xiàn) 過 程 簡便，對現(xiàn)網(wǎng)改造較少；2 組網(wǎng)形式靈活多樣， 可以根據(jù) PCRF 所轄區(qū)域的業(yè)圖 5

18、LDRA 路由重選+PCRF 恢復處理容災方案現(xiàn)代電信科技網(wǎng)等方案，投資本錢最低， 適合 VoLTE 業(yè)務開展初期 快速部署并可防止投資浪 費。但隨著 VoLTE 業(yè)務未 來不斷開展，必須對本方案 的容災能力進行功能增強， 以解決業(yè)務恢復過渡依賴 用戶行為的問題。圖 6 增強型 PCRF POOL 容災方案務量，采用 1+1、N+1 或 POOL 組網(wǎng)，提高設(shè)備利用率。 方案缺點1 業(yè)務恢復依賴于定制終端定時器，Gx 會話 更新 用戶重開機，QoS 更新等，對用戶體驗有影 響；2新用戶注冊無影響，已注冊用戶有影響第一次呼叫失敗。2.3.4 方案總結(jié) 與方案一相比，本方案在技術(shù)上存在一定缺陷，在

19、 PCRF 故障倒換時會出現(xiàn)呼叫失敗和通話中斷， 而且業(yè)務恢復非常依賴用戶行為終端定時器時長、 重新開關(guān)機、發(fā)生切換或重新注冊到 4G 網(wǎng)絡(luò)，故 實際部署的效果會與方案一有較大差距。但從現(xiàn)網(wǎng) 實際部署來看，本方案對周邊網(wǎng)元改造少，可以根據(jù) 業(yè)務量及組網(wǎng)需要靈活選擇 1+1、N+1 或 POOL 組2.4 方案三： 增強型PCRF POOL 容災方案此方案是基于方案二 中 利用 率 最高 的的 PCRF POOL 組網(wǎng)根底上，通過利 用 VoLTE SBC/P-CSCF 構(gòu)造的自定義 SIP 消息來通 知用戶進行重新激活并選 擇非故障的 PCRF，可防止 方案二中主叫恢復時對終 端定時器時長設(shè)置

20、和被叫恢復時對用戶行為的依賴，減少 PCRF 故障倒換對業(yè)務造成的時延。本方案的容災流程詳見圖 6。 2.4.1 容災流程1VoLTE SBC/P-CSCF 通 知 PCRF 為 VoLTE用戶建立 IMS APN 語音業(yè)務專用承載，發(fā)送 RAR 消息經(jīng) LDRA 轉(zhuǎn)發(fā)，LDRA 通過心跳檢測發(fā)現(xiàn)負責 此用戶 IMS APN 業(yè)務的 VoLTE PCRF 故障后，自動 路 由 重 選 至 PCRF POOL 內(nèi) 的 正 常 工 作 的任 一 PCRF；2VoLTE PCRF 收到 RAR 消息后，發(fā)現(xiàn)無此 用戶 IMS APN 的 Gx 接口數(shù)據(jù) PDN 承載信息，那么 經(jīng) 過 LDRA 向

21、VoLTE SBC/P-CSCF 返 回 IP-CANSession Not Available 失敗響應消息，且消息中包含Unknown Session ID 原因值；3VoLTE SBC/P-CSCF 收到此消息后，構(gòu)造一技術(shù)廣角 條 SIP 消息，經(jīng) S-CSCF 發(fā)送至 VoLTE 用戶歸屬三 融合 HSS/HLR，三融合 HSS/HLR 通過 S6a 接口通知 VoLTE 用戶當前拜訪 MME 需要為用戶重新建立 IMS APN 承載；4MME 通過 S1 接口指示 VoLTE 終端釋放當 前的 IMS APN 承載并重新發(fā)起 IMS APN 承載建立 請求；5在 VoLTE 用戶新

22、的 IMS APN 承載建立過程 中，LDRA 為用戶在 VoLTE PCRF POOL 內(nèi)選擇正常 工作的 VoLTE PCRF；6 重新 選 擇 的 PCRF 通 過 Gx 接 口為 用 戶 IMS APN 重新建立專載，VoLTE 用戶的主被叫音視 頻語音業(yè)務恢復。 方案優(yōu)點1 主叫恢復時，無需考慮終端設(shè)置的定時器 時長，縮短了故障倒換時延；2 被叫恢復時，不在依賴用戶開關(guān)機、S-GW 級位置切換等行為來使用戶進行 PCRF 重選，提高 故障倒換的成功率；3 采用 PCRF POOL 組網(wǎng)，設(shè)備利用率及平安性較高。 方案缺點1 PCRF 故障后，不能防止用戶第一次主叫或被叫無法接通、通話

23、過程故障導致中斷等情況；2 目前還沒有廠家能夠支持本技術(shù)，需要進行專項開發(fā)；3 需要升級改造的網(wǎng)元比方案二要多，包括VoLTE SBC、S-CSCF、HSS 和 MME/SGSN 等網(wǎng)元。2.4.4 方案總結(jié) 方案三在兼顧方案二低本錢和實用性的根底上，通過改良方案二中 PCRF 故障倒換機制，減少了 對用戶行為的依賴，屬于現(xiàn)網(wǎng)部署可行方案中的目 標方案。2.5 PCRF 容災組網(wǎng)方案比照上文對 PCRF 的三種容災方案的原理及詳細流程進行了闡述，并給出了各個方案根本的特性及優(yōu) 缺點。本節(jié)將結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)部署情況和各方案特點，進一 步從多個維度對三種方案進行比擬。從工程建設(shè)方 案實際落地的角度考慮，比

24、照維度主要考慮了現(xiàn)網(wǎng) 需改造的設(shè)備、廠家支持程度、PCRF 利用率、工程 進度、對業(yè)務的影響、業(yè)務應用情況和投資共 7 個方 面。容災方案比照分析詳情見表 1。2.6 PCRF 容災組網(wǎng)引入策略根據(jù)前文對 PCRF 容災方案的總結(jié)及多維度分 析，可知三種容災方案各有優(yōu)劣，并且有其適用的特 定場景和部署階段。對于用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務來說，使用的是 CMNET APN 承載來獲取效勞，不管用戶在本地還是漫游的 情況下，都是使用歸屬的 PCRF 和 SPR 來實現(xiàn) PCC 功能，在前文容災需求分析中，我們知道由于 PCRF 故障，并不會導致數(shù)據(jù)業(yè)務中斷，而僅是策略計費執(zhí) 行無法進行和下發(fā)，故建議 4G 數(shù)

25、據(jù)業(yè)務開展初期可以不考慮 PCRF 容災；當 4G 業(yè)務具備相當?shù)挠脩?規(guī)模后，需要 PCRF 和 SPR 的容災來保證 PCC 流程 的執(zhí)行，此階段建議將 SPR 與 PCRF 分設(shè)，PCRF 采 用方案二中 POOL 組網(wǎng)方式；遠期可將單獨別離出 來 的 SPR 采 用 1+1 主備 的 方式 來 實 現(xiàn) 容災 ，與 PCRF POOL 組網(wǎng)一起作為 PCRF+SPR 容災的目標 方案。對于用戶的 VoLTE 語音視頻業(yè)務來說，用戶使 用的是 IMS APN 承載來獲取效勞。與數(shù)據(jù)業(yè)務不同 的是，用戶在漫游情況下，是通過漫游地的 PCRF 來 提供效勞的，并且 VoLTE 語音視頻業(yè)務不需

26、要使用 SPR 功能。故針對該業(yè)務，我們只需要考慮 PCRF 的容災即可。業(yè)務開展初期，可以采用方案二進行快速 部署滿足根本的容災需求；業(yè)務開展中期及后期建 議采用方案三，提升 PCRF 容災對 VoLTE 業(yè)務保障 的效果。現(xiàn)代電信科技序號工程方案一方案二方案三實時 1+1 熱備LDRA 路由重選 +PCRF 恢復處理增 強 型 PCRF POOL1+1N+1POOL1現(xiàn)網(wǎng)需改造的設(shè)備PCRF、PCEF、 LDRAPCRF，LDRAPCRF，LDRAPCRF，LDRAPCRF、LDRA、 VoLTESBC/P-CSCF，S-CSCF、HSS、 MME/SGSN2廠家支持 程度PCRF：已支持已支持已支持已支持目前不支持PCEF、DRA：目前不支持3PCRF利用率硬件按超 過 200%配置硬件按 照 200%配置硬件按照(N+1)/N 倍配置設(shè)備利用率最高，無需額外冗余4工程進度較快最快需廠家進行專 項開發(fā)，預估 進度較慢5對業(yè)務的 影響無主叫恢復方案依賴于終端設(shè)置的定時 器時長；被叫恢復時間較